Γνωρίζουμε ότι ο μαγνητισμός είναι μια θεμελιώδης δύναμη της φύσης που παίζει καθοριστικό ρόλο τόσο στον φυσικό κόσμο όσο και στη σύγχρονη τεχνολογία. Καθορίζει τη συμπεριφορά των υλικών σε ατομικό επίπεδο και είναι απαραίτητος για τη λειτουργία αμέτρητων συσκευών στην καθημερινή μας ζωή, όπως η αποθήκευση δεδομένων, η ανίχνευση, η ασύρματη φόρτιση, τα συστήματα εγγραφής και αναπαραγωγής ήχου και πολλά άλλα.
Η κατανόηση της προέλευσης του μαγνητισμού -που έχει βαθιές ρίζες στην κβαντομηχανική- επιτρέπει στους επιστήμονες και τους μηχανικούς να χειρίζονται τις μαγνητικές ιδιότητες για περαιτέρω καινοτόμες εφαρμογές και αναδυόμενες τεχνολογίες.
Σε αυτή την αναζήτηση, μια ομάδα φυσικών της ερευνητικής ομάδας COMMIT του Πανεπιστημίου της Αμβέρσας στο Βέλγιο ανέπτυξε μια μεθοδολογία που αποκαλύπτει τη μικροσκοπική προέλευση του μαγνητισμού στα υλικά, η οποία καταδεικνύεται ιδιαίτερα σε επιλεγμένα ατομικά λεπτά συστήματα, γνωστά ως 2D υλικά.
Η πρόοδος, που δημοσιεύθηκε στο Physical Review Letters, προσφέρει μια άνευ προηγουμένου εικόνα για το πώς προκύπτουν και εξελίσσονται οι μαγνητικές αλληλεπιδράσεις σε κβαντικό επίπεδο.
Ο μαγνητισμός προέρχεται από τις κβαντομηχανικές ιδιότητες των ηλεκτρονίων, συγκεκριμένα από το εγγενές σπιν και την τροχιακή στροφορμή τους. Μέσα στα άτομα, τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν τροχιακά -περιοχές του χώρου που ορίζονται από κβαντικούς αριθμούς- όπως τα τροχιακά s, p, d και f, το καθένα με συγκεκριμένα σχήματα και χωρητικότητες. Ο μαγνητισμός προκύπτει κυρίως από μη συζευγμένα ηλεκτρόνια στα τροχιακά d και f, τα οποία έχουν μεγαλύτερη χωρική έκταση και επιτρέπουν ισχυρότερες αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ατόμων.
Στα περισσότερα στοιχεία, τα ηλεκτρόνια είναι σπιν-ζευγμένα μέσα σε αυτά τα τροχιακά, ακυρώνοντας τις μαγνητικές τους ροπές. Ωστόσο, σε στοιχεία όπως ο σίδηρος, το κοβάλτιο, το νικέλιο, το χρώμιο και τα μέταλλα σπάνιων γαιών όπως το γαδολίνιο, υπάρχουν μερικώς γεμάτα τροχιακά d (ή f) με ασύζευκτα ηλεκτρόνια, δημιουργώντας μια καθαρή ατομική μαγνητική ροπή. Τα ηλεκτρόνια σε μερικώς συμπληρωμένα τροχιακά d ή f μπορούν περιστασιακά να αποκεντρωθούν, δηλαδή να μην είναι αυστηρά δεσμευμένα σε ένα άτομο. Αντ’ αυτού, μπορούν να «πηδήξουν» μεταξύ των τροχιακών γειτονικών ατόμων, συχνά μέσω επικαλυπτόμενων τροχιακών ή μέσω ενός ενδιάμεσου ατόμου.
Αυτή η μεταπήδηση διέπεται από κβαντική σήραγγα και είναι ευαίσθητη στην ενεργειακή διαφορά μεταξύ των θέσεων και στην επικάλυψη μεταξύ των τροχιακών. Η μεταπήδηση ηλεκτρονίων διαδραματίζει κεντρικό ρόλο στις αλληλεπιδράσεις ανταλλαγής, οι οποίες καθορίζουν τον τρόπο με τον οποίο οι ατομικές μαγνητικές ροπές ευθυγραμμίζονται μεταξύ τους. Στην υπερανταλλαγή, για παράδειγμα, ένα ηλεκτρόνιο πρακτικά μεταπηδά μεταξύ δύο μαγνητικών ιόντων μέσω ενός μη μαγνητικού ιόντος. Γενικά, σε ένα δεδομένο υλικό είναι δυνατόν να υπάρχουν πολλές διαδρομές ανταλλαγής, οι οποίες μπορεί να ανταγωνίζονται μεταξύ τους για τη μαγνητική διάταξη που ευνοούν.
Οι συλλογικές μαγνητικές ιδιότητες ενός υλικού εξαρτώνται έτσι τόσο από την παρουσία μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων όσο και από τις κβαντομηχανικές αλληλεπιδράσεις ανταλλαγής μεταξύ των ατόμων, που προωθούνται μέσω διαφορετικών μονοπατιών άλματος ηλεκτρονίων. Η κατανόηση του ποια τροχιακά συμμετέχουν, πόσο συμβάλλουν στη μαγνητική ανταλλαγή και μέσω ποιων μονοπατιών άλματος, είναι απαραίτητη για την εξήγηση της προέλευσης και της ποικιλίας των μαγνητικών φαινομένων που παρατηρούνται στα υλικά.
Επανάσταση στον σχεδιασμό μαγνητικών υλικών
Μια τέτοια κατανόηση των ποιοτικών και ποσοτικών παραγόντων του μαγνητισμού σε υποατομικό επίπεδο αποτελεί εδώ και καιρό πρόκληση για τη φυσική συμπυκνωμένης ύλης και είναι ζωτικής σημασίας για την περαιτέρω ανάπτυξη σπιντρονικών διατάξεων, κβαντικών τεχνολογιών και υπολογιστικών συστημάτων νέας γενιάς που βασίζονται στην προηγμένη χρήση των μαγνητικών (συλλογική διάταξη των σπιν ηλεκτρονίων) και μαγνητικών (συλλογική μετάπτωση και δυναμική των σπιν) ιδιοτήτων ενός συγκεκριμένου υλικού.
Στην εργασία τους, οι ερευνητές από την Αμβέρσα εφάρμοσαν το νέο μεθοδολογικό τους πλαίσιο (που ονομάστηκε SHIM, συντομογραφία για τη μέθοδο «successive-hopping inclusion method») σε δύο ευρέως μελετημένα μαγνητικά δισδιάστατα υλικά: το τριοδίδιο του χρωμίου (CrI₃) και το διοδίδιο του νικελίου (NiI₂). Με τη μέθοδό τους, η ομάδα χαρτογράφησε με επιτυχία κάθε ηλεκτρονική συμβολή στις μαγνητικές αλληλεπιδράσεις, εντοπίζοντας τις περίπλοκες διαδρομές ανταλλαγής μέσω τόσο των μαγνητικών ατόμων (όπως το χρώμιο και το νικέλιο) όσο και των μη μαγνητικών ligands (όπως το ιώδιο).
Επιπλέον, προσέφεραν μια γενίκευση των ευρημάτων τους για το CrI₃ και το NiI₂ σε άλλες μαγνητικές μονοστιβάδες στις οποίες κυριαρχούν οι ηλεκτρονικές διαμορφώσεις d8 και d3 των μαγνητικών ατόμων.
«Με την προσέγγισή μας, μπορούμε τώρα να εντοπίσουμε επακριβώς ποια άτομα και τροχιακά κατευθύνουν τις μαγνητικές αλληλεπιδράσεις, πώς και κατά πόσο», δήλωσε ο επικεφαλής συγγραφέας Denis Šabani. «Αυτό ανοίγει εντελώς νέους τρόπους για τον σχεδιασμό υλικών με προσαρμοσμένες μαγνητικές ιδιότητες».
Η μεθοδολογία θα επιτρέψει την προγνωστική διάκριση μεταξύ σιδηρομαγνητικών, αντισιδηρομαγνητικών και αλτερμαγνητικών συμπεριφορών, από πού προέρχονται και πώς αλλάζουν κάτω από διάφορα εξωτερικά ερεθίσματα – όπως μηχανική καταπόνηση, ηλεκτρικά πεδία ή ετεροδομή με άλλα υλικά. Αυτή η ανακάλυψη παρέχει επομένως μια σταθερή βάση για τον ορθολογικό σχεδιασμό και την ακριβή μηχανική των μαγνητικών υλικών, επιταχύνοντας την πορεία προς έξυπνες, αποδοτικές και ρυθμιζόμενες τεχνολογίες.
«Πρόκειται για τη μετάβαση από την παρατήρηση του μαγνητισμού στην κατανόηση και τον έλεγχό του», πρόσθεσε ο καθηγητής Milorad Milošević, κύριος ερευνητής της μελέτης. «Μας επιτρέπει να γεφυρώσουμε το χάσμα μεταξύ της κβαντικής θεωρίας και του πρακτικού σχεδιασμού υλικών, ξεκλειδώνοντας νέους δρόμους για την καινοτομία των συσκευών».
